"""
双流体模型核心模块

本模块实现了双流体模型的核心方程和封闭关联式，包括：
1. 质量守恒方程
2. 动量守恒方程（轴向和横向）
3. 能量守恒方程
4. 各种封闭关联式

理论基础：
- 两相流动的基本假设
- 子通道分析方法的简化
- 相间作用力的处理
- 壁面传热的计算

作者：[您的名字]
日期：[创建日期]
"""

import numpy as np
from typing import Dict, Tuple, Union
from dataclasses import dataclass
from ..utils.logger import get_logger

@dataclass
class FluidState:
    """流体状态参数数据类"""
    alpha: float  # 相分数
    rho: float   # 密度 [kg/m³]
    u: float     # 轴向速度 [m/s]
    v: float     # 横向速度 [m/s]
    w: float     # z方向速度 [m/s]
    h: float     # 比焓 [J/kg]
    T: float     # 温度 [K]
    mu: float    # 动力粘度 [Pa·s]
    k: float     # 导热系数 [W/(m·K)]
    cp: float    # 定压比热容 [J/(kg·K)]

class TwoFluidModel:
    """
    双流体模型核心类
    
    实现了双流体模型的所有核心方程和封闭关联式，包括：
    - 质量、动量、能量守恒方程
    - 相变传质模型
    - 壁面传热模型
    - 界面传热模型
    - 湍流混合模型
    """
    
    def __init__(self, config: dict):
        """
        初始化双流体模型
        
        参数:
            config: dict, 包含模型参数的配置字典
        """
        self.logger = get_logger()
        self.config = config
        
        # 物理常数
        self.g = config['physics']['gravity']  # 重力加速度 [m/s²]
        
        # 数值参数
        self.dt = config['numerical']['time_step']  # 时间步长 [s]
        
        # 网格参数
        self.n_axial = config['geometry']['n_axial']  # 轴向节点数
        self.n_channels = config['geometry']['n_channels']  # 子通道数
        self.dz = config['geometry']['channel_length'] / self.n_axial  # 轴向网格间距 [m]
        
        self.logger.info("双流体模型初始化完成")
    
    def mass_conservation(
        self,
        k_phase: FluidState,  # k相状态
        gamma: float,         # 相变质量流率 [kg/m³·s]
        T_mk: float          # 湍流混合质量流率 [kg/m³·s]
    ) -> float:
        """
        计算质量守恒���程的残差
        
        方程：∂(αₖρₖ)/∂t + ∇(αₖρₖuₖ)/∂x + ∂(αₖρₖvₖ)/∂y + ∂(αₖρₖwₖ)/∂z = Γₖ + Tₘₖ
        """
        # 时间导数项
        d_rho_dt = (k_phase.alpha * k_phase.rho - self._prev_state.alpha * self._prev_state.rho) / self.dt
        
        # 分别计算三个方向的对流项
        d_flux_dx = np.gradient(k_phase.alpha * k_phase.rho * k_phase.u, self.dx)
        d_flux_dy = np.gradient(k_phase.alpha * k_phase.rho * k_phase.v, self.dy)
        d_flux_dz = np.gradient(k_phase.alpha * k_phase.rho * k_phase.w, self.dz)
        
        # 源项
        source = gamma + T_mk
        
        return d_rho_dt + d_flux_dx + d_flux_dy + d_flux_dz - source
    
    def axial_momentum(
        self,
        k_phase: FluidState,  # k相状态
        other_phase: FluidState,  # 另一相状态
        P: float,            # 压力 [Pa]
        F_wk: float,         # 壁面剪切力 [N/m³]
        F_ik: float,         # 界面剪切力 [N/m³]
        M_tk: float          # 湍流混合动量传递 [N/m³]
    ) -> float:
        """
        计算轴向动量守恒方程的残差
        
        方程：∂(αₖρₖuₖ)/∂t + ∇·(αₖρₖuₖVₖ) = -αₖ∂P/∂x - αₖρₖg - Fₖʷ + Fᵢₖ + Mₖᵀ
        
        参数:
            k_phase: k相的流体状态
            other_phase: 另一相的流体状态
            P: 压力
            F_wk: 壁面剪切力
            F_ik: 界面剪切力
            M_tk: 湍流混合动量传递
            
        返回:
            float: 轴向动量守恒方程的残差
        """
        # 时间导数项
        d_mom_dt = (k_phase.alpha * k_phase.rho * k_phase.u - 
                   self._prev_state.alpha * self._prev_state.rho * self._prev_state.u) / self.dt
        
        # 动量通量项
        d_flux_dz = np.gradient(k_phase.alpha * k_phase.rho * k_phase.u * k_phase.u, self.dz)
        d_flux_dy = np.gradient(k_phase.alpha * k_phase.rho * k_phase.u * k_phase.v, self.dy)
        
        # 压力梯度项
        dp_dz = np.gradient(P, self.dz)
        pressure_term = -k_phase.alpha * dp_dz
        
        # 重力项
        gravity_term = -k_phase.alpha * k_phase.rho * self.g
        
        # 源项（壁面剪切力、界面剪切力和湍流混合）
        source = -F_wk + F_ik + M_tk
        
        return d_mom_dt + d_flux_dz + d_flux_dy + pressure_term + gravity_term - source
    
    def lateral_momentum(
        self,
        k_phase: FluidState,  # k相状态
        other_phase: FluidState,  # 另一相状态
        P: float,            # 压力 [Pa]
        F_wk: float,         # 壁面剪切力 [N/m³]
        F_ik: float,         # 界面剪切力 [N/m³]
        M_tk: float          # 湍流混合动量传递 [N/m³]
    ) -> float:
        """
        计算横向动量守恒方程的残差
        
        方程：∂(αₖρₖvₖ)/∂t + ∇·(αₖρₖvₖVₖ) = -αₖ∂P/∂y - Fₖʷ + Fᵢₖ + Mₖᵀ
        
        参数:
            k_phase: k相的流体状态
            other_phase: 另一相的流体状态
            P: 压力
            F_wk: 壁面剪切力
            F_ik: 界面剪切力
            M_tk: 湍流混合动量传递
            
        返回:
            float: 横向动量守恒方程的残差
        """
        # 时间导数项
        d_mom_dt = (k_phase.alpha * k_phase.rho * k_phase.v - 
                   self._prev_state.alpha * self._prev_state.rho * self._prev_state.v) / self.dt
        
        # 动量通量项（简化处理，忽略横向动量的正交方向通量）
        d_flux_dz = np.gradient(k_phase.alpha * k_phase.rho * k_phase.v * k_phase.u, self.dz)
        
        # 压力梯度项
        dp_dy = np.gradient(P, self.dy)
        pressure_term = -k_phase.alpha * dp_dy
        
        # 源项（壁面剪切力、界面剪切力和湍流混合）
        source = -F_wk + F_ik + M_tk
        
        return d_mom_dt + d_flux_dz + pressure_term - source
    
    def energy_conservation(
        self,
        k_phase: FluidState,  # k相状态
        P: float,            # 压力 [Pa]
        q_wk: float,         # 壁面传热功率 [W/m³]
        gamma_h: float,      # 相变焓传递 [W/m³]
        T_kr: float          # 湍流混合能量传递 [W/m³]
    ) -> float:
        """
        计算能量守恒方程的残差
        
        方程：∂(αₖρₖhₖ)/∂t + ∇·(αₖρₖhₖVₖ) = αₖ∂P/∂t + qₖʷ + Γₖh + Tₖʳ
        
        参数:
            k_phase: k相的流体状态
            P: 压力
            q_wk: 壁面传热功率
            gamma_h: 相变焓传递
            T_kr: 湍流混合能量传递
            
        返回:
            float: 能量守恒方程的残差
        """
        # 时间导数项
        d_energy_dt = (k_phase.alpha * k_phase.rho * k_phase.h - 
                      self._prev_state.alpha * self._prev_state.rho * self._prev_state.h) / self.dt
        
        # 能量通量项
        d_flux_dz = np.gradient(k_phase.alpha * k_phase.rho * k_phase.h * k_phase.u, self.dz)
        d_flux_dy = np.gradient(k_phase.alpha * k_phase.rho * k_phase.h * k_phase.v, self.dy)
        
        # 压力功项
        dp_dt = (P - self._prev_P) / self.dt
        pressure_work = k_phase.alpha * dp_dt
        
        # 源项（壁面传热、相变焓传递和湍流混合）
        source = q_wk + gamma_h + T_kr
        
        return d_energy_dt + d_flux_dz + d_flux_dy - pressure_work - source
    
    def calculate_wall_friction(
        self,
        k_phase: FluidState,
        hydraulic_diameter: float
    ) -> float:
        """
        计算壁面摩擦力
        
        使用Blasius公式计算摩擦系数，考虑两相流动修正
        """
        # 计算雷诺数
        Re = k_phase.rho * abs(k_phase.u) * hydraulic_diameter / k_phase.mu
        
        # Blasius公式计算摩擦系数
        if Re < 2300:  # 层流
            f = 64 / Re
        else:  # 湍流
            f = 0.316 * Re**(-0.25)
        
        # 计算壁面剪切力
        tau_w = 0.5 * f * k_phase.rho * k_phase.u * abs(k_phase.u)
        
        # 考虑两相流修正（使用Martinelli参数）
        if hasattr(self, '_prev_state'):
            X2 = (k_phase.rho / self._prev_state.rho) * (k_phase.mu / self._prev_state.mu)**0.2
            phi2 = 1 + 20/X2 + 1/X2**2
            tau_w *= phi2
        
        return tau_w
    
    def calculate_interfacial_friction(
        self,
        liquid: FluidState,
        vapor: FluidState,
        hydraulic_diameter: float
    ) -> float:
        """
        计算界面剪切力
        
        使用改进的界面剪切力模型，考虑流型的影
        """
        # 计算相对速度
        u_r = vapor.u - liquid.u
        
        # 计算界面面积密度（简化模型）
        if vapor.alpha < 0.3:  # 气泡流
            a_i = 6 * vapor.alpha / hydraulic_diameter
        else:  # 环状流
            a_i = 4 * (1 - vapor.alpha) / hydraulic_diameter
        
        # 计算界面阻力系数
        C_i = 0.44  # 基本阻力系数
        
        # 流型修正
        if vapor.alpha < 0.3:  # 气泡流修正
            C_i *= (1 + 15 * (1 - vapor.alpha))
        
        # 计算界面剪切力
        tau_i = 0.5 * C_i * vapor.rho * u_r * abs(u_r) * a_i
        
        return tau_i
    
    def calculate_heat_transfer(
        self,
        k_phase: FluidState,
        wall_temperature: float,
        hydraulic_diameter: float
    ) -> float:
        """
        计算壁面传热系数
        
        根据不同的传热机制（单相对流、核态沸腾等）计算传热系数
        """
        # 获取无量纲参数
        Re = k_phase.rho * abs(k_phase.u) * hydraulic_diameter / k_phase.mu
        Pr = k_phase.cp * k_phase.mu / k_phase.k
        
        # 基本的Dittus-Boelter关联式
        if k_phase.alpha > 0.9:  # 气相
            Nu = 0.023 * Re**0.8 * Pr**0.4
        else:  # 液相
            Nu = 0.023 * Re**0.8 * Pr**0.3
        
        # 计算传热系数
        h = Nu * k_phase.k / hydraulic_diameter
        
        # 计算热流密度
        q = h * (wall_temperature - k_phase.T)
        
        return q 

    def calculate_convective_heat_transfer(
        self,
        k_phase: FluidState,
        wall_temperature: float,
        d_c: float,  # 特征直径
        H: float     # 传热系数修正因子
    ) -> float:
        """
        计算对流传热量
        
        方程：Qₖ = πdₖhₖH(Tₖ - T)
        """
        # 计算传热系数
        h_k = self.calculate_heat_transfer_coefficient(k_phase, wall_temperature, d_c)
        
        # 计算传热量
        Q_k = np.pi * d_c * h_k * H * (wall_temperature - k_phase.T)
        
        return Q_k

    def calculate_heat_transfer_coefficient(
        self,
        k_phase: FluidState,
        wall_temperature: float,
        hydraulic_diameter: float,
        T_sat: float = None  # 饱和温度，用于判断沸腾状态
    ) -> float:
        """
        计算传热系数，包括单相对流和沸腾传热
        """
        if T_sat is None or k_phase.T < T_sat:  # 单相对流
            # 计算无量纲参数
            Re = k_phase.rho * abs(k_phase.u) * hydraulic_diameter / k_phase.mu
            Pr = k_phase.cp * k_phase.mu / k_phase.k
            
            # Dittus-Boelter关联式
            if k_phase.T > wall_temperature:  # 冷却
                Nu = 0.023 * Re**0.8 * Pr**0.3
            else:  # 加热
                Nu = 0.023 * Re**0.8 * Pr**0.4
            
            h = Nu * k_phase.k / hydraulic_diameter
            
        else:  # 沸腾传热
            # Thom关联式
            P = self.get_pressure(k_phase)  # 需要实现获取压力的方法
            F_gum = self.calculate_bubble_condensation_factor()  # 需要实现气泡冷凝因子的计算
            
            h = (1 - F_gum) * np.exp(2 * P / 1260) * (wall_temperature - T_sat)**2 / \
                (72**2 * (wall_temperature - k_phase.T))
        
        return h